Neuroscienze - Appunti

Neuroscienze

Sistema nervoso

Il sistema nervoso si è sviluppato nel passaggio da spugne a meduse, le quali sono dotate di cellule nervose. Dalle meduse in poi si è sviluppata la capacità di operare scelte (bene/male), giudizi estetici, autocoscienza, ecc. La dimensione non è uguale alla complessità; la complessità dipende dal numero di cellule e dai contatti tra le cellule del sistema nervoso. Noi abbiamo 100 miliardi di neuroni; per ogni neurone ci sono da 1 a 100.000 contatti. Il sistema nervoso non è solo il cervello, ma comprende anche il midollo spinale e una complessa ramificazione di nervi.

Elementi costitutivi della materia vivente

• Elementi principali: 99,3%
  • H, 63%
  • O, 26%
  • C, 9%
  • N, 1%
• Elementi minerali: 0,7%
  • Ca, P, K, S, Na, Cl, Mg
• Altri elementi presenti in tracce: 0,01%
  • Fe, I, Cu, Zn, Mn, Cb, Cr, Se, Mo, F, Sn, Si, V

Atomo

Nel nucleo ci sono neutroni e protoni, attorno al nucleo ruotano gli elettroni (in numero uguale ai protoni).

• Un atomo che acquista o cede elettroni diventa uno ione.
• Un atomo che acquista o cede protoni diventa un elemento.
• Un atomo che acquista o cede neutroni diventa un isotopo.

La condivisione o il trasferimento di elettroni determina la formazione di legami.

• Legame covalente: le coppie di elettroni non sempre sono condivise alla pari tra gli atomi legati (es. H₂O: l'ossigeno attrae per la maggior parte gli elettroni dell'idrogeno, implicando carica negativa). Quando la condivisione non è alla pari, si parla di molecole polari (in base alla polarità le molecole si sciolgono più o meno facilmente in acqua).
• Legame ionico: trasferimento di un elettrone da un atomo all'altro (i due ioni si attraggono a causa della loro carica opposta; es. Na⁺ e Cl^- tendono ad attrarsi).
• Legami deboli:
  • Legame idrogeno: attrazione tra un atomo di H e un vicino atomo di O, N o F (nella stessa molecola o in molecole diverse); le molecole di H₂O tendono ad attrarsi tra loro. Le molecole polari o ioniche in grado di formare legami idrogeno con l'acqua e dunque di sciogliersi con essa sono dette idrofile, mentre quelle apolari e non ioniche che non sono in grado di sciogliersi in acqua sono dette idrofobiche o lipofile. In base alle loro proprietà, le cellule sono in grado o meno di oltrepassare la membrana cellulare.

Un legame ionico/covalente è stabile nel tempo e richiede molta energia per essere spezzato, mentre un legame debole non è stabile nel tempo e richiede poca energia per essere spezzato, permettendo interazioni molecolari.

Principali componenti chimici della materia vivente

• Lipidi
• Glicidi (monosaccaridi + monosaccaridi = polisaccaridi)
• Protidi (amminoacidi + amminoacidi = proteine)
• Acidi nucleici DNA/RNA (nucleotidi + nucleotidi = DNA/RNA)

Membrana cellulare

È costituita principalmente da fosfolipidi, colesterolo e proteine.

Funzioni:

• Isolamento fisico (barriera tra interno della cellula e ambiente esterno)
• Supporto strutturale (per mantenere la forma della cellula)
• Regolazione di scambi tra cellula e ambiente esterno (entrata e uscita di ioni, nutrienti, ecc., grazie alle proteine)
• Comunicazione tra cellula e ambiente esterno (tramite recettori-proteine)

Fosfolipide: molecola anfipatica (testa polare + coda apolare). La membrana è costituita da un doppio strato di fosfolipidi con code apolari rivolte l'una verso l'altra.

Proteine di membrana:

• Estrinseche: non attraversano tutto lo spessore della membrana.
• Intrinseche (o transmembrana o integrali): attraversano la membrana.
• Strutturali: contribuiscono alla forma della membrana, si legano al citoscheletro che contribuisce a dare la forma alla cellula.
• Enzimi: aumentano la velocità delle reazioni chimiche.
• Recettori: proteine a cui si lega un'altra molecola.
• Trasportatori: trasportano sostanze da dentro a fuori e viceversa.
• Canali: fanno passare gli ioni dall'interno all'esterno e viceversa.

La proteina ha una conformazione tale per cui a un sito può legarsi una determinata proteina e non un'altra ("gioco di incastri"), c'è cioè una specificità di legame tra proteina e ligando. Quando un ligando si lega a un enzima specifico viene degradato o modificato. Quando un ligando si lega al trasportatore, viene trasportato dentro la cellula. Quando un ligando si lega a un recettore, avviene una variazione conformazionale.

Canali ionici

• A porta chimica: si deve legare un ligando al canale ionico affinché la porta si apra e lo ione passi.
• A porta elettrica: la porta non è sensibile a una sostanza chimica e si apre solo se cambia la carica elettrica della membrana ("sensibilità al voltaggio"). Voltaggio: potenziale elettrico.
• Ci sono anche canali ionici sempre aperti.

Come fanno a passare determinate sostanze attraverso la membrana? La membrana, formata da lipidi, funge da isolante. Le molecole d'acqua non possono attraversarla, ma possono attraversare la membrana le molecole lipidiche. Il movimento di una molecola lipidica dipende dalla concentrazione delle molecole.

Movimenti attraverso la membrana

• Diffusione semplice: movimento di molecole da un'area dove sono più concentrate a un'area in cui sono meno concentrate (differenza di gradiente di concentrazione tra ambiente esterno e interno). Quando le molecole passano dall'altro lato, per effetto dell'energia cinetica alcune tendono a tornare indietro. Il flusso è comunque in direzione dell'ambiente meno concentrato. Avviene se la sostanza è idrofobica (o lipofila = liposolubile). Secondo il gradiente di concentrazione. Non richiede consumo di energia.
• Diffusione facilitata: riguarda le molecole polari; le molecole passano all'interno della membrana solo in presenza di trasportatori. La velocità non dipende dal gradiente perché c'è un numero limitato di trasportatori. Avviene se la sostanza è idrofila. Secondo il gradiente di concentrazione. Non richiede consumo di energia.
• Trasporto attivo: contro gradiente di concentrazione. Richiede pompe che consumano ATP (es. pompa Na⁺/K⁺ che riesce a trasportare sodio e potassio contro il gradiente di concentrazione). Esiste un trasporto attivo chiamato cotrasporto: movimento di una molecola contro gradiente utilizzando l'energia cinetica di una molecola che si muove secondo gradiente.

Il cotrasporto può essere di due tipi:

• Antiporto: le molecole in questione vanno in direzione opposta. L'energia cinetica che porta le molecole in una direzione viene sfruttata dal trasportatore per portare le altre molecole in direzione opposta (no ATP!).
• Sinporto: le molecole in questione vanno nella stessa direzione. Le molecole di un tipo vanno spontaneamente da una zona più concentrata a una zona meno concentrata, e l'energia viene sfruttata per portare altre molecole sempre nella stessa direzione (es. simporto Na⁺/glucosio = ingresso del glucosio contro gradiente sfruttando l'ingresso di Na⁺ secondo gradiente).

Il tessuto nervoso

Il tessuto nervoso è costituito da:

• Neuroni: unità funzionali del tessuto, cellule responsabili della formazione e della conduzione di segnali elettrici (informazioni).
• Cellule gliali: entità cellulari trofiche e di sostegno. La funzione di sostegno contribuisce a preservare i contatti sinaptici e a mantenere la capacità di comunicazione dei neuroni.

La glia comprende:

• Microglia: funzione di cellule spazzino, smaltiscono cellule morte e agenti estranei (batteri).
• Macroglia:
  • Astrociti: cellule a forma di stella, limitati al SNC. A contatto con neuroni e vasi sanguigni; questo contatto è molto importante per due funzioni:
    • Captare e smaltire ioni (regolazione ambiente esterno), captare neurotrasmettitori. Regolano le sostanze nell'ambiente extracellulare, hanno funzione di omeostasi.
    • Costituire la barriera ematoencefalica: nei tessuti diversi da quello nervoso, i capillari lasciano degli spazi, e le sostanze possono uscire; nel sistema nervoso i capillari non sono permeabili, e non possono uscire sostanze nocive (come i farmaci). La barriera serve perché gli spazi sono più stretti e perché gli astrociti, a contatto coi capillari, formano dei "pedicelli" che tappano le finestrelle, e le molecole hanno difficoltà ad uscire. Le sostanze passano solo se c'è un trasportatore o se le sostanze sono lipofile; anche gli anticorpi non passano la barriera.
  • Oligodendrociti: cellule dai pochi processi, formano la guaina mielinica nel SNC.
  • Cellule di Schwann: formano la guaina mielinica nel SNP.

Neuroni

I neuroni sono specializzati nel ricevere, trasformare e trasmettere informazioni sotto forma di segnali elettrici che vengono condotti lungo la membrana del neurone; queste informazioni dai neuroni arrivano ai muscoli. Le cellule bersaglio con cui comunica un neurone possono essere altri neuroni oppure ghiandole.

Vari compartimenti:

• Corpo cellulare
• Zona per la ricezione di segnali che arrivano da altri neuroni
• Dendriti, a cui arrivano le informazioni
• Assone: processo che si ramifica a formare collaterali; conduce/trasmette segnali ad altri neuroni

Corpo cellulare: contiene il nucleo circondato dalla membrana; il nucleo contiene DNA (doppia elica di polimeri di nucleotidi), che trasmette i geni in maniera fedele oppure fa da stampo alla sintesi proteica. I neuroni nel sistema nervoso adulto non si riproducono, ma fanno solo da base per la sintesi proteica; essi producono diverse proteine in base ai geni che vengono trascritti: in base al genotipo viene prodotto un particolare fenotipo. Oltre al nucleo c'è il citoplasma (detto anche citosol) che contiene mitocondri (che producono ATP), ribosomi (che servono per la sintesi proteica) e l'apparato di Golgi (che immagazzina le molecole in vescicole).

Dendriti: processi che partono dal corpo cellulare e che possono generare altri processi. Struttura simile a quella di un albero (dal greco "dendron"=albero). Compito di ricevere i segnali dagli altri neuroni; più dendriti ha un neurone, più informazioni riceverà. Su ogni dendrite si possono formare delle protuberanze ("spine dendritiche") aumentando la superficie disponibile alla ricezione dei segnali.

Assone: uno solo, si diparte dal corpo cellulare. Funzione di condurre i segnali che arrivano dai dendriti. Elabora i segnali sulla base di quali e quanti segnali arrivano.

Un neurone può essere:

• Unipolare: un solo polo riceve e manda segnali dallo stesso polo (es. neurone di invertebrato).
• Bipolare: due poli, due processi: dal corpo cellulare si sviluppano da una parte i dendriti, e dall'altra, in posizione diametralmente opposta, l'assone (es. cellula bipolare della retina).
• Pseudo-unipolare: dal corpo cellulare si diparte un solo processo, ma dopo breve distanza si biforca diventando bipolare (es. cellule dei gangli della radice dorsale, che permettono di percepire gli stimoli).
• Multipolare: più di due processi. Varietà sulla base del numero dei dendriti. Nota bene: l'assone è sempre uno! (es. motoneurone spinale, cellula piramidale dell'ippocampo, cellula di Purkinje del cervelletto).

La mielina

La mielina è data dall'avvolgimento delle membrane degli oligodendrociti o delle cellule di Schwann attorno a una porzione di assone. In realtà, la maggior parte dell'assone è ricoperta, ma ci sono anche zone in cui ciò non avviene, chiamate "nodi di Ranvier". È utile per condurre i segnali a maggior velocità, perché la guaina mielinica è lipidica, fatta cioè di un avvolgimento di membrana cellulare che fa da isolante rispetto alle cariche elettriche (ioni). Compare durante lo sviluppo del sistema nervoso e si rinnova continuamente.

• Le cellule di Schwann (SNP) formano la guaina mielinica avvolgendo con il proprio corpo l'assone.
• Gli oligodendrociti la formano con processi che si avvolgono attorno all'assone creando spirali; così l'oligodendrocito crea più guaina mielinica, più avvolgimenti.

Nota bene: una cellula di Schwann avvolge un assone; un oligodendrocita può avvolgere due o più assoni. La mielina è importante per la conduzione di segnali elettrici, e si trova solo attorno agli assoni. Le ramificazioni dell'assone non hanno mielina. L'assone si dirama per passare informazioni a più cellule possibili tramite i terminali sinaptici, al termine dei quali può esserci una ghiandola esocrina o fibre muscolari.

Sclerosi multipla: non sono note le cause, si manifesta con danno a carico degli oligodendrociti e riduzione della guaina mielinica nel SNC, e la conduzione dei segnali non può più avvenire rapidamente (occhio, zone motorie, ecc.). Per ora incurabile. Ipotesi più accreditata: avviene quando c'è una reazione auto-immune dell'organismo che forma anticorpi contro la mielina.

Informazione unidirezionale: risponde al principio della polarizzazione dinamica. Percorso dei segnali (solo in questa direzione!): dendriti → corpo cellulare (o soma) → assone → terminali sinaptici.

Citoscheletro

Funzione di mantenimento della forma del neurone. Composto di tre elementi (ciascuno dei quali composto da monomeri, cioè piccole molecole che unendosi vanno a formare polimeri):

• Neurofilamenti (i più spessi)
• Microtubuli
• Microfilamenti di actina

Trasporto assonale

Due tipi di trasporto, uno rapido e uno lento.

Trasporto assonale rapido:

• Anterogrado: il neurone ha bisogno di trasportare sostanze dal corpo cellulare ai terminali sinaptici; il trasporto assonale richiede la presenza di microtubuli. Le proteine arrivano fino all'apparato di Golgi che le racchiude in vescicole, che vengono trasportate nell'assone attaccandosi ai microtubuli. Velocità: 40 cm/giorno.
• Retrogrado: le vescicole, a differenza degli ioni, possono anche tornare indietro; viene trasportato indietro ciò che non serve più e che deve essere degradato. Velocità: 25 cm/giorno.

Flusso assoplasmatico (lento): non richiede microtubuli. Flusso di sostanze dato dal movimento del citoplasma. Velocità: 40 cm/anno (=1 mm/giorno). Solo anterogrado.

La trasmissione dei segnali

Le informazioni vengono trasmesse all'interno del neurone come segnali elettrici. I segnali impiegati dai neuroni per comunicare sono in gran parte determinati dalle proprietà elettriche della membrana cellulare. Il neurone (l'assone) è un cattivo cavo elettrico. Non è un buon conduttore per tre motivi:

• Rapporto lunghezza/diametro sfavorevole alla conduzione di cariche
• La membrana non è un isolante perfetto
• Alta capacità della membrana di accumulare cariche (le cariche si accumulano invece di procedere)

Il neurone utilizza quindi un'altra strategia: crea una differenza di potenziale elettrico ai due lati della membrana (dove si accumulano le cariche), che può essere variata dalle interazioni del neurone con l'ambiente circostante o da meccanismi intrinseci al neurone stesso. Questa differenza si propaga lungo la membrana con diversi meccanismi:

• Potenziali Locali con decremento dopo pochi mm
• Potenziali d’Azione con ampiezza costante lungo tutto l'assone

A riposo (cioè senza stimoli), ci sono più cariche positive all'interno e più cariche negative all'esterno. Questo potenziale elettrico è detto potenziale di membrana a riposo (V_m). Il potenziale all'interno di un neurone è inferiore a quello extracellulare di 70 mV. V_m = -70 mV.

Le principali cariche elettriche di un neurone sono rappresentate dagli ioni:

• Na⁺
• K⁺

Interno: K⁺ e anioni proteici (A^-)

Esterno: Na⁺, Cl^-, Ca²⁺

Solo i neuroni sono in grado di condurre segnali elettrici e di cambiare la differenza di potenziale. La membrana dei neuroni contiene pompe metaboliche Na⁺/K⁺ che creano gradienti di concentrazione di ioni. Gli ioni tenderebbero ad andare verso la zona in cui sono meno concentrati, ma non possono attraversare liberamente la membrana cellulare: possono farlo solo attraverso i canali ionici.

Equilibrio del K⁺: il K⁺ tende ad uscire (per gradiente di concentrazione) lasciando l'interno della membrana carico negativamente; uscendo però incontra cariche positive che lo respingono all'interno (per gradiente elettrico). Quindi il flusso è zero. Si ha una situazione di equilibrio quando il potenziale di membrana è -90 mV (situazione di massimo equilibrio per il K⁺: il gradiente di concentrazione è uguale e opposto al gradiente elettrico). E_K⁺ = -90 mV.

Equilibrio del Na⁺: il Na⁺ tende ad entrare (per gradiente di concentrazione) accumulando cariche positive all'interno del neurone, cariche che accumulandosi tendono a respingersi facendo tornare all'esterno lo stesso Na⁺ (per gradiente elettrico). Situazione di equilibrio del Na⁺: +55 mV (se tutto il Na⁺ potesse entrare, il potenziale di membrana sarebbe +55 mV, e l'interno sarebbe più positivo dell'esterno). E_Na⁺ = +55 mV.

A riposo (cioè senza stimoli), la membrana presenta un numero maggiore di canali aperti per il K⁺ che per il Na⁺ (rapporto 3:1). Di conseguenza, il potenziale di riposo è più vicino al potenziale di equilibrio del K⁺ (-90 mV) che a quello del Na⁺ (+55 mV). Quindi il K⁺ tende ad uscire; l'equilibrio è a -70 mV perché essendo il rapporto 3:1 significa che un po' di Na⁺ tende comunque ad entrare.